CFAO dans l’art dentaire : (17) (67) (70)

matériaux tendres.

Transfert vers la Machine-Outil à Commande Numérique  

Le fichier ISO obtenu est ensuite transféré à la machine- outil à commande numérique par un logiciel de DNC (Direct Numerical Control), puis exécuté par cette machine, après la phase de réglage indispensable.

II.4 CFAO dans l’art dentaire : (17) (67) (70)  

Dans le domaine de la prothèse dentaire, par le sigle CFAO, la profession désigne tous les équipements utilisés dans la chaîne numérique allant de la modélisation à la fabrication des prothèses dentaires. Ainsi, au-delà des logiciels de conception et fabrication assistées par ordinateur, la « CFAO dentaire » comprend, en amont, les équipements de numérisation 3D (scanners) et, en aval, les équipements de fabrication à commande numérique.

Les équipements de fabrication sont de deux types : les machines d’usinage (mise en forme par enlèvement de matière : soustraction) et les machines de fabrication additive (mise en forme par ajout de matière).

II.4.1 Historique : (22) (23) (24) (38) (46) (47)  

Comme toute invention scientifique, la CFAO s’est nourrit des sciences existantes et de l’imagination de ses créateurs pour voir le jour.

Au début des trente glorieuses les secteurs de l’informatique, de l’optique et de l’usinage automatique (dans les grandes usines d’automobile ou d’aviation) se sont développés de manière importante.

Le développement de la CFAO dentaire s’est établit selon une certaine chronologie ; une première période, dite période des pionniers dans laquelle les chercheurs travaillèrent,

indépendamment, avec un objectif commun mais avec des moyens terriblement différents. S’en suivit une période dite des démonstrations, époque où chaque équipe devait convaincre et prouver que ses choix technologiques et cliniques étaient viables. Puis vint le temps de la période industrielle et de la mise en marché progressive de machines de CFAO pour cabinets ou pour laboratoires de prothèse de plus en plus stables et performantes.

Quelques noms figurent parmi les pionniers de ces nouvelles technologies en odontologie. Le docteur F. DURET (France) en 1971 fut le premier à développer une machine-outil dentaire en CFAO. Celle ci réalisait des couronnes sous empreinte optique des dents préparées et utilisait une machine de fraisage à contrôle numérique. Il produisit la première restauration CFAO en 1983 et démontra l’efficacité de son système devant le French Dental Association’s International Congress en novembre 1985 en créant une couronne unitaire à sa propre épouse en moins d’une heure. Il développa plus tard le Sopha-System®.

Le docteur W. MÖRMANN (Suisse) créa le premier système CFAO dentaire commercialisable. Associé au docteur M. BRANDESTINI, ingénieur électrique, ils utilisèrent des systèmes de lecture optique pour scanner les dents à restaurer. En 1985, l’équipe accomplit un nouveau système appelé CEREC® pour Computer- assisted Ceramic Construction.

Le docteur D. REKOW et son équipe de l’université du Minnesota travaillèrent au cours des années 80 dans un système de CFAO dentaire qui utilisait des photographies, un scanner de haute résolution et une machine-outil à cinq axes d’usinages pour la fabrication.

Le docteur M. ANDERSSON (Suède) développa en 1983 le Procera ®. Il s’agit d’un système manufacturant de couronnes dentaires de haute précision. Il fut le premier à utiliser le composite pour des reconstitutions en CFAO.

La CFAO dans l’art dentaire s’est donc principalement développée ces vingt cinq dernières années. Actuellement, plus de trente trois milles dentistes dans le monde scannent et usinent leur prothèses au cabinet.

Cette nouvelle technologie s’adapte aussi bien au cabinet qu’au laboratoire dentaire. Elle permet de réaliser des reconstitutions de type inlays, onlays, et facettes céramiques. Elle est aussi utilisée pour la réalisation de prothèses fixes (unitaires ou plurales), prothèses fixes sur

implants (collées ou vissées), prothèses amovibles et prothèse amovibles sur implants. On la retrouve également dans les domaines de l’orthodontie, de la chirurgie, et de la reconstruction étendue de mâchoire en PMF.

En ce qui concerne la conception de prothèses fixes, les gains de temps en maquettage sont discutés par les prothésistes. Certains estiment qu’il est aussi rapide de modeler des armatures à la main qu’avec la CAO, sauf pour le modelage de bridges de grande étendue. Mais il faut considérer les gains de temps en aval, lors de la fabrication. En passant de la maquette CAO à la fabrication numérique bonne matière, les gains de temps sur le processus complet de réalisation d’une armature deviennent conséquents. En termes de qualité, les gains de précision sont indéniables, (précision d’une maquette manuelle de 100 à 200 µm contre 20 à 50 µm avec la CFAO) avec des ajustements parfaits, une fois les technologies maîtrisées.

La conception numérique de prothèses sur implants (dans le cas de prothèse hybride) est très prometteuse et semble promise à un avenir intéressant.

Cependant, elle rencontre quelques difficultés. L’offre de modélisation 3D de prothèses sur implants est là mais il reste à créer un catalogue des composants normalisés associé à une base de connaissance des protocoles de fabrication. La précision dimensionnelle exigée pour la prothèse sur implant impose une excellente passivité de la prothèse. Les logiciels de FAO capables de générer automatiquement les programmes d’usinage sont encore naissants et ne sont pas encore totalement maîtrisés.

La CAO orthodontique est une offre naissante également. A ce jour, il n’existe pas de logiciel de CAO dédié aux laboratoires d’orthodontie allant jusqu’à la conception des appareils. Quelques laboratoires proposent un service de numérisation des arcades pour créer des modèles en occlusion 3D, permettant de récupérer des moulages virtuels dans des logiciels d’études orthodontiques en 3D. Des sociétés commencent à proposer des solutions numériques couvrant l’ensemble du processus orthodontique, depuis l’étude chez l’orthodontiste jusqu’à la fabrication automatisée des appareils. Les centres de production s’adressent directement aux dentistes orthodontistes. Cependant des solutions en laboratoire sont possibles. En Allemagne, la société T.O.P. Service für Lingualtechnik recours à la CAO pour modéliser et placer des brackets personnalisés sur un modèle numérisé de l’arcade, à partir d’une bibliothèque 3D de brackets pré-paramétrés, puis elle fabrique des modèles en cire avec une imprimante 3D. Aux États-Unis, la société Orametrix propose une solution comprenant un scanner intra-buccal, un logiciel d’étude orthodontique en lingual et un service de production d’appareils sur mesure. Le processus numérique est le suivant : l’image 3D de la denture du patient est obtenue par numérisation intra-buccale ou par tomographie, ensuite l’image 3D est récupérée dans un logiciel pour la simulation orthodontique et la planification du traitement ainsi que pour le positionnement et la création en 3D des brackets et des arcs sur mesure, puis les données 3D sont transmises au centre de production qui fabrique les arcs et les brackets personnalisés avec un robot.

La CFAO en prothèse partielle amovible fera l’objet d’une partie à part (chapitre III). II.4.2 Principe général de la CFAO : (17) (69)

D’une manière générale, pour chaque famille de produits (prothèses fixées, hybrides ou amovibles) les procédés de fabrication diffèrent mais les processus numériques restent sensiblement les mêmes :

‐ numérisation 3D des modèles ou des empreintes par un système d’acquisition d’image ;

‐ modélisation 3D de l’armature ou de la dent complète (armature + cosmétique) ;

‐ fabrication à partir de maquettes numériques de maquettes en résine (pour la fonderie à cire perdue) ou fabrication en bonne matière (par usinage) ou par procédé additif d’impression 3D, de stéréolitographie (résine calcinable) et de micro-fusion laser de poudres métalliques (Cobalt-Chrome).

Aujourd’hui, il n’y a pas de continuité dans la chaîne numérique entre le praticien et le prothésiste. Même dans le domaine de l’implantologie dentaire où de plus en plus de praticiens utilisent des logiciels d’implantologie assistée par ordinateur, le prothésiste travaille toujours à partir d’une empreinte physique. L’arrivée de la numérisation 3D intra- buccale et les avancées de l’imagerie médicale 3D devraient résoudre ce problème de rupture dans la chaîne numérique dentaire.

Séquence de la chaîne numérique  

La chaîne numérique correspond à l’ensemble des activités numériques réalisées sur un produit tout au long de son cycle de vie.

Numérisation (25) (54)  

La numérisation 3D par balayage peut être définie comme un procédé permettant de mesurer les formes de la surface d’un objet pour en créer un fichier informatique utilisable dans un ordinateur. Ce fichier informatique est appelé « modèle numérique 3D » de l’objet numérisé.

Numérisation intra-buccale (25) (54)

La capture numérique intra-buccale autorise la prise d’empreinte sans passer par le moulage. Elle évite ainsi les désagréments des empreintes conventionnelles pour le patient. Elle permet un gain pour la chaîne numérique dentaire ainsi qu’une meilleure précision de la prothèse en supprimant l'imprécision de la pâte à empreinte. La capture d’empreintes numériques directement en bouche permet de réduire le délai de réalisation de la prothèse.

Numérisation des empreintes (25) (54)

Les fabricants de systèmes de capture des modèles font évoluer leurs scanners vers la numérisation des empreintes. Le chirurgien dentiste a désormais la possibilité de numériser l’empreinte et d’adresser sa version numérique par internet au prothésiste, qui peut ainsi démarrer au plus tôt la conception de la prothèse.

Numérisation de modèles (25) (54)

Ce procédé éprouvé est le point d’entrée dans le processus numérique de conception et fabrication assistées par ordinateur des prothèses dentaires.

Les scanners 3D dédiés à la production de prothèses dentaires fixes et/ou mobiles offrent un niveau de précision similaire, de l’ordre de 20 µm. Tous ne se prêtent pas aisément à la numérisation des matériaux réfléchissant. Les principales différences entre les scanners résident dans la possibilité de numériser simultanément plusieurs éléments unitaires pour des prothèses distinctes (fonction multi-dies), et le champ d’applications : numérisation d’arcades complètes, d’antagonistes, de mordus, de préparations en plâtre avec implants, enregistrement des occlusions.

Numérisation de maquettes (25) (54)

Elle permet de transmettre les maquettes au directeur de commande numérique de la machine. C’est aussi un moyen utilisé pour communiquer, via internet, la copie numérique d’une maquette en cire à un centre de production distant. Elle s’avère surtout nécessaire pour pallier aux champs d’applications encore restreints des logiciels de CAO. C’est par exemple le cas pour la réalisation de certains composants de supra-structures sur implants : leur modélisation en 3D n’étant pas encore possible avec les logiciels de CAO, le prothésiste n’a

guère d’autre choix que de réaliser des maquettes physiques puis de les numériser s’il veut les fabriquer ou les faire fabriquer via un procédé numérique, par usinage ou par fabrication additive.

Radiographie panoramique (11) (13)

Les praticiens en chirurgie dentaire et chirurgie maxillo-faciale recourent de plus en plus à des logiciels de chirurgie assistée par ordinateur pour la planification de l’intervention chirurgicale et la simulation de la pose des implants et des couronnes. A partir de l’imagerie au format DICOM 3D (Digital Imaging and Communications in Medicine) obtenue par tomographie ou par conversion d’un IRM, le logiciel construit un modèle 3D du maxillaire ou de la mandibule du patient. Le format DICOM 3D est un format de sauvegarde et de transfert des données informatiques nécessaires à la réalisation des images ainsi que des informations qui les accompagnent (noms du patient et du praticien, date de naissance, le n° de sécurité sociale etc.) mais aussi un format de communication avec des périphériques : outils de gestion, d’impression, etc. La dentisterie commence à adopter la norme DICOM 3.0 pour l’imagerie numérique dentaire mais elle n’est pas encore répandue uniformément

Les modélisations 3D sont générées par triangulation. On obtient des fichiers au format 3D STL. Ces fichiers 3D sont déjà utilisés pour la fabrication par procédé additif de guides chirurgicaux ou de copies physiques du maxillaire et de la mandibule pour résoudre les cas complexes. Il devient donc possible d’anticiper la réalisation de la prothèse dentaire temporaire, voire définitive, au travers d’échanges STL entre les chirurgiens-dentistes et les prothésistes dentaires.

Le format de fichier 3D STL est né il y a un peu plus de 20 ans, avec l’arrivée des techniques de fabrication additive par empilement de couches 2D. La première technique,

commercialisée par la société 3D Systems, fût la stéréolitographie (technique de polymérisation de résine par laser) d’où l’abréviation STL. Depuis, le format STL est devenu un standard de facto industriel pour la production par procédés aditifs de prototypes, d’outillages et de pièces, à partir de représentations 3D par triangulation.

Ce format est la référence d’échange entre les chirurgiens dentistes et les prothésistes dentaires.

Appareils d’empreinte numérique au cabinet (17) (45) (46) (47) (48)

Deux techniques d’imagerie numériques existent : l’échantillonnage par triangulation et l’imagerie confocale parallèle. Quatre produits sont disponibles dans le marché pour réaliser des empreintes numériques au cabinet dentaire : le CEREC AC® de Sirona, le E4 Dentist® de D4D Technologie, le iTero ®de Cadent et le Lava Chairside Oral Scanner ® (Lava COS) de 3M ESPE. Seuls le CEREC AC® et le E4 Dentist® peuvent être combinés à des logiciels et des appareils de conception et d’usinage de restaurations au sein du cabinet dentaire. Eux seuls permettent donc de réaliser des restaurations le jour même (en prothèse fixée).

Le CEREC ® fut le premier système combinant un balayage numérique et un appareil d’usinage (1987).

La prise d’empreinte se fait par clichés successifs sur des surfaces préalablement poudrées (couche d’oxyde de titane) pour les rendre opaques et ainsi opto-lisibles. L’empreinte est sectorielle. L’antagoniste et la relation inter maxillaire sont enregistrés de la même façon ou par l’empreinte d’un silicone. A partir de ces empreintes le praticien réalise par CFAO des restaurations vitro-céramiques en une séance unique au cabinet. Il s’agit d’inlays, d’onlays, de couronnes et de facettes (voire de bridges de petite étendue dans un futur proche). L’actuel système d’acquisition d’image utilise une lumière bleue intense de type LEDs (Ligth Emitting Diodes). La méthode de visualisation est celle de triangulation active, où la caméra projette une lumière bleue sur la cible et le scanner capte en retour la réflexion de la lumière qui revient avec des variations d’angle selon la forme de la surface balayée.

Sirona vient de créer (Aout 2012) sa deuxième caméra haute performance dédiée au système de CFAO dentaire « CEREC ». Il s’agit de la caméra CEREC Omnicam qui réalise des clichés 3D sans poudrage et en couleur. Elle permet une triple performance : prise d’image

en continu, numérisation de l’arcade en couleurs naturelles et scannage sans poudrage.

L’iTero ®, apparut en 2007 fut le premier système d’empreinte numérique pour les systèmes conventionnels de restauration de type couronnes et bridges. A la différence des autres systèmes d’empreinte 3D, l’acquisition des images est assurée par l’utilisation d’une technique d’imagerie consistant en la projection de multiples rayons lasers parallèles sur la cible. Ce scannage enregistre tous les éléments et les matériaux présents en bouches sans

nécessiter de poudre de scannage. Il peut donc se positionner directement sur la cible

pendant le balayage. La caméra est en fait un «porte empreinte numérique» qui réalise des clichés successifs. L’empreinte quitte le cabinet dentaire par internet pour rejoindre un centre de production de modèles en résine de haute précision. Les modèles obtenus sont expédiés vers le laboratoire chargé de réaliser la prothèse. Ce seront des arcades complètes ou partielles, fractionnées à la demande.

Le Lava COS ou scanner buccal au pied du fauteuil fut commercialisé en 2008. Le système comprend un chariot mobile, un écran tactile et un scanneur avec une caméra intégrée au bout. Les surfaces doivent être préalablement séchées et une couche de poudre d’oxyde de titane est légèrement appliquée sur toutes les surfaces à balayer. La caméra Lava COS permet de «filmer» les arcades dentaires, zones des préparations et antagoniste. La technique de prise d’empreinte est très différente du système précédent. La capture de l’image est faite à travers

la caméra qui filme en continue. Les arcades sont filmées en suivant un trajet rationnel. Une

prise de vue du mordu enregistre la relation occlusale. Les fichiers sont adressés par mail au laboratoire partenaire et à un centre de production. Ils servent à réaliser la prothèse par CFAO et parallèlement la fabrication de modèles de travail en résine par stéréolithographie. Ce système permet de créer tout type de couronnes bridges.

Un système d’empreinte numérique utilisé pendant des années en orthodontie et plus récemment en prothèse partielle amovible pour la réalisation d’armatures métalliques est le

3D cross- section scanner CXM-I de Airbraces. Ce système de balayage possède la précision requise pour assurer la conception et la fabrication des armatures métalliques pour la prothèse partielle amovible.

Conception assistée par ordinateur (6) (13) (14) (15) (16) (17) (26) (30)

« La plupart des logiciels de CAO pour la conception de prothèses dentaires, et c’est le cas des logiciels les plus répandus, utilisent un noyau graphique de modélisation géométrique polygonale. Cela leur permet d’exploiter directement les données issues de la numérisation 3D, dont le procédé de construction 3D du modèle numérique se fait également par triangulation du maillage de points dans l’espace. » (51)

Les fichiers exportés par la plupart des logiciels de CAO dentaire sont « nativement » des fichiers au format STL. Cette modélisation est moins précise que la modélisation par courbes (NURBS) et génère des fichiers informatiques plus lourds, mais elle évite des conversions fastidieuses des données de triangulation en données de courbes pour la reconstruction de surfaces ou de solides et elle est suffisante pour la précision exigée en fabrication de prothèses dentaires adjointes et scellées. Les logiciels diffèrent selon le type de restauration envisagée (prothèses fixées unitaires ou plurales, prothèses hybrides supra-implantaires, armatures métallique). Ces logiciels enregistraient tout d’abord uniquement la forme des dents et des tissus environnants. Ils commencent à exploiter peu à peu la cinématique mandibulaire lors d’une restauration.

Connaître le rapport d’occlusion est indispensable pour effectuer une restauration. Il existe différentes méthodes d’enregistrement de l’arcade antagoniste (enregistrement du rapport d’occlusion) selon l’appareil d’empreinte numérique utilisé.

Ainsi avec le système E4D Dentist, l’enregistrement de l’occlusion ne se fait pas par balayage de l’arcade antagoniste mais au moyen d’un matériau d’empreinte placé au sommet de la dent préparée pour la restauration. Le scanneur enregistre l’ensemble matériau d’empreinte-dent cible découverte et utilise ensuite l’information pour la conception de la future restauration.

Le système iTero quant à lui procure des modèles en couleurs et en 3D après balayage des deux arcades. Lors de la phase de conception, le praticien peut vérifier le balayage depuis tout angle de vue. Un articulateur numérique permet au praticien de réévaluer la dimension verticale et de réaliser toutes les modifications nécessaires sur les préparations ou sur les arcades antagonistes.

Fabrication assistée par ordinateur (50) (62)  

La fabrication assistée par ordinateur est basée sur deux opérations primordiales : la préparation pour la fabrication et la réalisation des séquences de mise en forme d’une ou de plusieurs maquettes numériques.

Dans le domaine de la prothèse dentaire, on fabrique rarement à l’unité. On produit des petites séries de pièces personnalisées. Le nombre d’éléments par cycle dépend de la taille du brut à usiner ou de la taille du plateau pour la fabrication additive.

La préparation d’une production consiste à placer les maquettes 3D à fabriquer dans le brut ou sur le plateau. L’information est ensuite envoyée au centre de fabrication.

Fabrication par soustraction : usinage (7) (36) (63)

L’usinage consiste à mettre en forme un objet par soustraction de matière Préparation pour la fabrication :

Pour l’usinage, l’opérateur sélectionne un lot de modélisations 3D et le logiciel de FAO suggère leur positionnement dans le brut à usiner et place les tiges de maintien. L’intervention de l’opérateur est parfois nécessaire afin d’augmenter le nombre de pièces produites sur un même brut à usiner, dans un souci d’économie de matière perdue. Les bruts qui ne sont pas complètement usinés sont réutilisés pour d’autres réalisations.

Création des séquences de mise en forme

Dans le domaine de la prothèse dentaire, bien que chaque armature ait une géométrie unique, la morphologie des armatures est constante. Il est donc possible d’appliquer la même